Pendahuluan
Asam hialuronat (HA) adalah polisakarida alami yang sering digunakan sebagai bahan fungsional dalam banyak perawatan anti-penuaan topikal dan subkutan seperti pengisi kulit, yang mengeksploitasi sifat viskoelastik polimer yang unik untuk penambahan jaringan lunak yang efektif. Ketika diberikan secara subkutan, HA membangun jaringan elastis di dalam kerutan dan rhytides untuk membuat kulit terlihat lebih kenyal dan penuh. HA yang terbentuk secara alami memiliki waktu paruh kurang dari tiga hari sehingga meningkatkan daya tahan polimer sangat penting untuk mengembangkan produk dengan ketahanan klinis yang lebih besar dan umur simpan yang dapat diterima. Meningkatkan berat molekul (MW) dan tingkat ikatan silang polimer adalah strategi yang terbukti untuk meningkatkan kekuatan mekanik dan memperpanjang waktu degradasi. Namun, karakteristik ini juga berdampak pada sifat-sifat lain dari HA seperti viskositas dan viskoelastisitas.
Untuk memformulasikan HA dengan sukses, penting untuk memahami dampak dari faktor-faktor seperti berat molekul, struktur molekul, konsentrasi, dan tingkat ikatan silang pada karakteristik reologi seperti viskoelastisitas, yang secara langsung terkait dengan aspek kinerja produk. Menghubungkan karakteristik struktural dengan kinerja produk, melalui sifat reologi, mendukung formulasi yang cerdas, cepat, dan efektif.
Studi berikut menunjukkan bagaimana pengukuran reologi dan ukuran partikel dapat digunakan untuk mengkarakterisasi sifat fisik pengisi dermal HA.
Eksperimental
- Tiga pengisi kulit HA komersial dievaluasi menggunakan rheometri rotasi dan difraksi laser untuk karakterisasi perilaku reologi dan ukuran partikel.
- Pengukuran rheometer rotasi dilakukan dengan menggunakan rheometer rotasi Kinexus dengan kartrid pelat Peltier dan menggunakan sistem pengukuran pelat paralel 40 mm. Semua pengukuran reologi dilakukan pada suhu 25°C.
- Urutan pemuatan standar digunakan untuk memastikan bahwa kedua sampel tunduk pada protokol pemuatan yang konsisten dan terkendali.
- Pengujian osilasi meliputi pengujian amplitudo variabel dan frekuensi variabel. Uji sapuan amplitudo pada frekuensi 1 Hz dilakukan untuk menentukan daerah viskoelastik linier (Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER) dan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan kritis. Uji sapuan frekuensi selanjutnya dilakukan antara 0,1 - 10 Hz menggunakan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan konstan di dalam Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER.
- Pengukuran geser kondisi tunak dilakukan untuk memeriksa ketergantungan viskositas terhadap laju geser (0,1 s-1 - 100 s-1) dan uji tanjakan tegangan (0 Pa - 200 Pa dalam 100 detik) juga dilakukan untuk menentukan tegangan luluh bahan pengisi.
- Kelengketan bahan pengisi dinilai dengan menggunakan pengujian aksial pada rheometer yang melibatkan perubahan celah secara cepat dari 1 mm menjadi 20 mm dan merekam profil gaya normal. Kelengketan dikorelasikan dengan gaya normal puncak yang diukur dalam Newton.
- Pengukuran ukuran partikel dari partikel gel dalam pengisi kulit dilakukan dengan menggunakan Malvern Mastersizer 3000. Pengisi didispersikan dalam larutan garam dan ukuran partikel rata-rata dan distribusi ukuran partikel ditentukan.
Hasil dan Pembahasan
Pengujian Osilasi
Kurva Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas sebagai fungsi SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser ditunjukkan pada Gambar 2. Semua sampel memiliki ukuran daerah Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER yang sama dengan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan kritis yang menunjukkan timbulnya non-linearitas di daerah 20%. Nilai Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas yang diukur di dalam Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER menunjukkan bahwa Sampel A memiliki kekakuan elastisitas terendah dengan nilai G' sebesar 150 Pa. Sampel C adalah yang paling kaku secara elastis dari ketiga sampel dengan nilai G' sebesar 320 Pa dengan Sampel B memiliki nilai di antara keduanya yaitu 220 Pa.
Kurva Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas dan sudut fase sebagai fungsi frekuensi osilasi ditunjukkan pada Gambar 3. Sudut fase untuk semua sampel di seluruh rentang frekuensi adalah sekitar 10° yang menunjukkan bahwa semua sampel adalah gel yang sangat elastis. Nilai G' untuk sampel A, B, dan C pada 1Hz masing-masing sekitar 150Pa, 220Pa, dan 320Pa, yang berkorelasi dengan data sapuan amplitudo pada frekuensi yang sama. Kemiringan yang kecil pada G' dengan frekuensi menunjukkan small jumlah RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi struktural di mana energi elastis yang tersimpan dihamburkan dengan bertambahnya waktu (penurunan frekuensi) meskipun hal ini relatif minimal.
Ada banyak faktor yang mempengaruhi sifat viskoelastik dari pengisi dermal HA termasuk konsentrasi HA, berat molekul dan tingkat ikatan silang. Dengan mengubah karakteristik ini, sifat viskoelastik, terutama Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas G', dapat direkayasa untuk aplikasi tertentu. Gel dengan G' yang tinggi memberikan ketahanan yang lebih tinggi terhadap deformasi dan seharusnya lebih efektif sebagai pengisi tetapi bisa jadi lebih sulit untuk disuntikkan dan mungkin memberikan lebih banyak rasa sakit. Oleh karena itu, gel yang kuat dengan G' yang tinggi mungkin lebih cocok digunakan untuk kerutan yang lebih dalam atau lebih serius. Di sisi lain, gel yang lebih lemah dengan G' rendah mungkin lebih baik untuk kerutan halus atau ringan yang ditemukan di bibir atau palung air mata, yang lebih sensitif, karena akan menyebabkan lebih sedikit rasa sakit saat disuntikkan. Modulus yang lebih rendah mungkin juga lebih cocok dengan sifat jaringan lokal. Dari ketiga sampel HA yang diuji, dapat dikatakan bahwa sampel A adalah gel yang paling lemah dan paling lembut dan sampel C adalah gel yang paling kaku dan paling kuat berdasarkan hasil yang disajikan pada Gambar 2 dan 3.
Pengujian Geser Mantap dan Penentuan Tegangan Luluh
Hasil pengukuran geser kondisi tunak - viskositas geser yang diukur sebagai fungsi laju geser ditunjukkan pada Gambar 4. Viskositas menurun secara signifikan dengan meningkatnya laju geser yang mengindikasikan bahwa material memiliki Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang tinggi. Selain itu, struktur pengisi sangat kuat sehingga pada laju geser yang rendah, viskositasnya sangat tinggi dan terus meningkat dengan penurunan laju geser yang menunjukkan tegangan luluh atau perilaku seperti padatan saat istirahat. Hal ini sesuai dengan pengamatan dari pengujian osilasi yang menunjukkan struktur seperti gel yang sangat elastis. Tegangan luluh menunjukkan bahwa material akan berperilaku seperti padatan di bawah tegangan kritis tetapi akan mengalir seperti cairan di atas tegangan kritis. Besarnya tegangan luluh harus dikaitkan dengan kekuatan struktural dan karenanya tingkat ikatan silang dan konsentrasi partikel gel, yang harus tercermin dalam G'.
Tegangan luluh dapat ditentukan dengan menggunakan sejumlah pengujian yang berbeda, namun, stress ramp adalah salah satu cara tercepat dan termudah untuk memperkirakan tegangan luluh, di mana viskositas sesaat (bukan kondisi tunak) diukur secara kontinu dengan meningkatnya tegangan geser. Data ramp tegangan untuk tiga sampel HA ditunjukkan pada Gambar 5. Puncak viskositas menunjukkan titik luluh dan nilai tegangan yang terjadi adalah tegangan luluh. Sampel A memiliki tegangan luluh terendah (42 Pa) dan Sampel C tertinggi (55 Pa) dengan Sampel B sedikit lebih rendah dari C (53 Pa). Ini adalah urutan yang sama yang diamati dalam pengujian osilasi dengan Sampel C yang terkuat dan Sampel A yang terlemah dari ketiga gel. Karena gel ini cenderung hadir sebagai kumpulan partikel gel yang terhubung secara kovalen (berlawanan dengan jaringan gel kontinu), maka tegangan luluh dikaitkan dengan tegangan yang diperlukan untuk 'membuka kemacetan' partikel dan memungkinkannya bergerak melewati satu sama lain.
Pengujian Tack
Profil gaya normal sebagai fungsi waktu dengan bertambahnya jarak antar pelat ditunjukkan pada Gambar 6. Nilai gaya normal adalah negatif karena sampel ditarik ke bawah pada pelat atas karena gaya perekat/kohesif dan meluruh menuju nol pada saat kegagalan; gaya sisa pada waktu yang lama disebabkan oleh berat sampel yang tertahan pada pelat atas. Gaya normal puncak untuk sampel A, B, dan C masing-masing adalah 0.35 N, 0.46 N, dan 0.54 N, yang sekali lagi berkorelasi dengan urutan pengukuran G' dan tegangan luluh untuk ketiga sampel. Oleh karena itu, Sampel C memiliki tingkat kelengketan atau kohesivitas tertinggi dan Sampel A paling rendah.
Ukuran Partikel
Ukuran partikel dari partikel gel perlu dikontrol untuk mengurangi gaya ekstrusi dan efek samping yang terkait seperti rasa sakit dan pendarahan saat gel disuntikkan. Oleh karena itu, gel perlu direkayasa untuk melewati jarum dengan kecepatan yang sesuai dengan gaya ekstrusi yang diinginkan. Pada Gambar 7, distribusi ukuran partikel gel ditunjukkan sebagai persen volume kumulatif. Ukuran rata-rata (Dv50) sampel A, B, dan C adalah 480 μm, 425 μm, dan 203 μm. Gel yang kuat dengan nilai G' dan tegangan luluh yang tinggi harus berukuran sesuai dengan partikel small agar mudah disuntikkan melalui jarum. Sampel C memiliki ukuran partikel terkecil karena memiliki nilai G' tertinggi di antara sampel. Di sisi lain, sampel A memiliki ukuran partikel terbesar karena merupakan gel terlemah dalam sampel (dapat dengan mudah melewati jarum). Ukuran yang dihasilkan juga akan terkait dengan tingkat ikatan silang dan berat molekul karena polimer dengan ikatan silang tinggi yang terkait dengan nilai G' yang lebih tinggi akan lebih padat dan lebih kompak.
Kesimpulan
Sifat reologi dan ukuran partikel dari tiga pengisi kulit berbasis HA komersial dikarakterisasi dan dibandingkan. Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. Modulus elastisitas G' ditentukan dari pengujian osilasi dan nilai-nilai tersebut berkorelasi dengan kekakuan dan kekuatan gel (misalnya, gel lemah atau gel kuat). Pengukuran geser kondisi tunak dilakukan untuk memeriksa ketergantungan viskositas pada laju geser dan uji tanjakan tegangan dilakukan untuk menentukan gaya yang diperlukan untuk memecah struktur gel, yaitu tegangan luluh. Kelengketan pengisi ditentukan dengan mengukur profil gaya normal ketika celah pelat-pelat meningkat dan berkorelasi dengan osilasi, dan data tegangan luluh. Selanjutnya, ukuran partikel gel diukur karena ukuran mempengaruhi ekstrusi, dan hal ini ditemukan berkorelasi dengan data reologi juga.
Kesimpulannya, sifat reologi dan ukuran partikel pengisi dermal berbasis HA adalah parameter penting untuk menentukan kinerja (misalnya, pengiriman yang mudah, kekuatan ekstrusi, injeksi, ketahanan terhadap deformasi, pengurangan rasa sakit) dan aplikasi (misalnya, kerutan halus atau dalam, tur wajah) dari produk ini.